减水剂和膨胀剂对混凝土收缩的影响研究

文摘 2024-10-15 07:00 河南

混凝土，作为现代公路工程建设中至关重要的建筑材料，其性能的优化与提升始终是工程界和学术界关注的焦点。在公路改建工程中，混凝土的收缩性能对结构的稳定性、耐久性及寿命具有决定性的影响。随着工程技术日益精进，环保标准也愈发严格，如何有效控制混凝土的收缩变形，已成为公路改建项目亟待解决的重大课题。其中，减水剂和膨胀剂作为混凝土外加剂的重要组成部分，在混凝土中的应用能够显著提高混凝土的工作性能和力学性能。减水剂通过降低混凝土的水灰比，提高浆液的流动性和强度，减少混凝土的收缩变形。而膨胀剂则通过材料体积的膨胀，对混凝土的收缩变形进行抵抗，提高混凝土的抗裂性和耐久性。因此，深入研究减水剂和膨胀剂对混凝土收缩的影响，对优化混凝土配合比设计、提升公路改建工程质量具有重要的理论意义和实践意义。

1试验准备

1.1试验材料

试验以某国道公路改建工程为背景，按照施工现场提供的混凝土原材料和配合比展开早期收缩试验，以此确定最佳减水剂、膨胀剂的种类和掺量，为实际工程提供参考。在试验中，首先需要选取试验原材料：水作为混凝土的重要组成部分，为保障公路改建工程施工质量，必须选用纯净的淡水；水泥作为混凝土的重要凝胶材料，直接决定了混凝土结构的强度，选用了符合国家标准的P•O.42.5级的硅酸盐水泥；在公路改建工程中，为改善混凝土结构的工作性能，还需掺入粉煤灰，粉煤灰选用风选Ⅱ灰。细砂和碎石是混凝土的骨料，对混凝土的均匀性和稳定性有重要影响，分别选择了级配良好的Ⅱ级河砂与碎石。

最后，为改善混凝土性能，还需加入一定量的外加剂，试验主要选用了不同类型的减水剂和膨胀剂作为外加剂，各材料概况如表1所示。

1.2试验方法

在混凝土收缩试验开始前，需要按照某国道公路改建工程实际情况，确定混凝土各原材料的配合比，以此制作试验所需试件，具体配比数据如表2所示。

确保所有试验所需的原材料（水、水泥、粉煤灰、细砂、碎石、减水剂和膨胀剂）都已经准备齐全，并且质量符合规定标准。根据表2和表3中的配合比，精确称量每种原材料的用量。确保称量的精度满足试验要求。首先，将称好的水、减水剂和膨胀剂加入混凝土搅拌机中，搅拌至均匀。随后，将称好的水泥、粉煤灰、细砂和碎石依次加入搅拌机中，继续搅拌至所有材料充分混合均匀。根据试验要求或搅拌机制造商的建议，确定搅拌时间，确保混凝土达到均匀的搅拌状态。接下来进行试模准备，确保试模干净、无损坏，并涂抹一层脱模剂，以便在后续步骤中轻松脱模。将搅拌好的混凝土浆液迅速、均匀地倒入试模中，并用振捣棒轻轻振捣，以排除混凝土中的气泡，确保试件内部密实。将浇筑好的试件放置在适当的养护条件下（如恒温恒湿室），进行初步养护，直至混凝土接近初凝。当混凝土试件接近初凝时，小心地将试件从试模中脱出，并确保试件不受损坏。将脱模后的试件固定在收缩仪上，使用收缩仪的测头测量试件的初长度，并记录数据。在混凝土试件的早期收缩期间（如龄期为7d），将试件固定在收缩仪上，确保试件在测量过程中不会移动或变形。

在设定的时间间隔内，使用收缩仪的测头测量试件的长度，并记录数据。根据测量数据，使用公式（1）计算试件的收缩率，并分析各外加剂对试件早期收缩性能的影响。

式中：η_t表示龄期为td时，混凝土试件的收缩率；l_t、l₀分别表示在龄期为td时和初始时期收缩仪测量混凝土试件得到的有效长度；l表示混凝土试件在收缩仪上的测量标距，即收缩仪两测头内侧的距离。

整理数据，将测量得到的所有数据整理成图表形式，以便进行后续分析。根据试验数据，分析不同减水剂和膨胀剂掺量对混凝土早期收缩性能的影响，并比较不同试件之间的性能差异。根据数据分析结果，得出最佳减水剂和膨胀剂的种类及掺量，为实际工程提供参考。

1.3实验过程

按照表2、表3所示配比，将原材料依次加入混凝土搅拌机中，待各原材料搅拌均匀后，停止搅拌，将混凝土浆液装入试模中。待混凝土试件接近初凝时，进行试件脱模，并将脱模后的试件固定在收缩仪上，对试件的初始长度进行测量。最后，在各混凝土试件的早期收缩期间（一般龄期为7d），再次测量试件长度，根据测量数据计算出试件收缩率。

混凝土收缩试验中，根据试件变形值即可得到试件的早期收缩率，以此作为混凝土收缩试验指标，分析各外加剂对试件早期收缩性能的影响。

2结果分析

2.1减水剂对混凝土收缩的影响

2.1.1减水剂类型对混凝土收缩的影响

聚羧酸系减水剂是公路改建工程中制备混凝土常用的外加剂之一，其分为标准、缓凝和早强三种类型，为选取最佳类型的减水剂，需要保持减水剂掺量不变，以减水剂类型为变量，制备三个混凝土试件：A2-1（聚羧酸系标准型减水剂）、A2-2（聚羧酸系缓凝型减水剂）、A2-3（聚羧酸系早强型减水剂），在各试件早期收缩过程中，测量并计算收缩率，收缩率随龄期的变化如图1所示。

由图1可知，A2-1在混凝土试件中的应用表现出相对稳定的收缩性能，其收缩率处于中等水平，且波动范围较小；A2-2在混凝土试件中表现出最低的收缩率，这主要是因为A2-2通过延缓混凝土的凝结时间，改善了混凝土内部的水分分布和硬化过程，进而有效地抑制了混凝土的收缩变形；掺入A2-3的试件在7d龄期内的收缩率相对最高，这可能是因为A2-3在改善混凝土的早期强度的同时也会造成浆液内部水分迅速蒸发，进而产生较大的收缩变形。因此，减水剂类型对混凝土收缩性能影响显著，在实际工程中，应根据工程要求和混凝土性能的需求，合理选择减水剂的类型。

2.1.2减水剂掺量对混凝土收缩的影响

为确定减水剂最佳掺量，混凝土收缩试验中，以减水剂类型为定量（选择聚羧酸系标准型减水剂），并将减水剂掺量设为变量，制备五个混凝土试件：A1、A2、A3、A4、A5，在各试件早期收缩过程中，测量并计算收缩率如图2所示。

由图2可知，当混凝土中不掺加减水剂时（掺量为0%），试件的收缩率最高，7d早熟期过后，混凝土试件收缩率高达58。3×10^-4%。当聚羧酸系标准型减水剂掺量由0%增加到1。2%时，混凝土试件的收缩率呈现逐渐减小的趋势，当减水剂掺量达到1。2%时，7d早熟期过后，混凝土试件收缩率仅为22。4×10^-4%。减水剂的作用机理在于其能够分散水泥颗粒，改善混凝土的水化过程，进而提升混凝土结构的密实性和强度，抑制收缩变形现象。然而，需要注意的是，减水剂的掺量并非越高越好。过高的掺量可能导致混凝土的工作性能下降，甚至对混凝土的强度产生不利影响。因此，在实际的公路改建工程中，适当增加聚羧酸系标准型减水剂的掺量可以有效抑制混凝土的收缩变形。

2.2膨胀剂对混凝土收缩的影响

2.2.1膨胀剂类型对混凝土收缩的影响

膨胀剂同样是公路改建工程中制备混凝土常用的外加剂之一，主要包括氧化钙类、硫铝酸钙类、氧化镁类这几种类型，为选取最佳类型的膨胀剂，混凝土收缩试验中，保持膨胀剂掺量不变，以膨胀剂类型为变量，制备三个混凝土试件：B2-1（氧化钙类膨胀剂）、B2-2（硫铝酸钙类膨胀剂）、B2-3（氧化镁类膨胀剂），在各试件早期收缩过程中，测量并计算收缩率，收缩率随龄期的变化如图3所示。

由图3可知，不同类型的膨胀剂对混凝土收缩性能改性效果各不相同。对比各类型膨胀剂下的试验结果，发现氧化镁类膨胀剂对混凝土试件收缩率的降低效果最为显著，硫铝酸钙类膨胀剂次之，氧化钙类膨胀剂改性效果最差。这主要是因为氧化镁类膨胀剂在混凝土试件中产生了膨胀效应，以此补偿混凝土的收缩，进而为公路改建工程中混凝土制备提供了有益的参考。

2.2.2膨胀剂掺量对混凝土收缩的影响

为确定膨胀剂最佳掺量，混凝土收缩试验中，以膨胀剂类型为定量（选择氧化钙类膨胀剂），并将膨胀剂掺量设为变量，制备五个混凝土试件：B1、B2、B3、B4、B5，在各试件早期收缩过程中，测量并计算收缩率，收缩率随龄期的变化如图4所示。

由图4可知，随着氧化钙类膨胀剂掺量的增加，混凝土试件的7d龄期收缩率呈现逐渐降低的趋势，说明膨胀剂掺量对混凝土收缩性能具有显著影响。具体来说，当膨胀剂掺量从0%增加到4%时，混凝土试件的收缩率显著下降，但当掺量持续增加时，混凝土试件的收缩率下降趋势减缓。这表明，在一定范围内，增加膨胀剂的掺量可以有效地降低混凝土的收缩率。因此，在实际公路改建工程中，需综合考虑施工材料成本等因素，合理选择膨胀剂的掺量，以达到最佳的抑制混凝土收缩效果。

3结语

通过实验研究了减水剂和膨胀剂在公路改建工程中对混凝土收缩的影响，得出了减水剂和膨胀剂的种类与掺量对混凝土收缩性能的影响规律：不同类型的减水剂和膨胀剂对混凝土改性效果显著，其中聚羧酸系缓凝型减水剂与氧化镁类膨胀剂是对混凝土收缩性能影响最大的外加剂；随着减水剂与膨胀剂掺量的增加，混凝土收缩率不断降低，但过多的外加剂也会对混凝土结构产生一定负面影响，所以实际工程中需要根据工程具体情况，合理设定外加剂掺量。总之，混凝土收缩试验结果，可以为公路改建工程中混凝土配合比设计提供理论依据，有助于优化混凝土性能、提高工程质量。

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